פיזיקה למתחילים: תופעת "עדשות הכבידה"
תופעת העידוש הכבידתי קשורה למעבר קרני אור בקרבת גופים מאסיביים. מדובר בנגזרת של תורת היחסות הכללית, ויש לה השלכות רבות על חקר היקום
מהן עדשות כבידה? תופעת העידוש הכבידתי קשורה למעבר קרני אור בקרבת גופים מאסיביים. נניח כי על קו הראייה בינינו לבין קוואזאר בהיר ומרוחק נמצא גוף מאסיבי, כגון צביר גלקסיות. חלק מקרני האור הנפלטות מן הקוואזאר ונעות בתחילה לכיוונים שונים, ירוכזו ויכוונו מחדש על ידי העיוות הכבידתי של צביר הגלקסיות, כך שיגיעו לבסוף אלינו.
כתוצאה מכך נראה מספר דמויות של הקוואזאר סביב צביר הגלקסיות. הקרניים עוברות דרכים שונות, ומשך הגעתן, מרגע שיצאו מן הקוואזאר ועד לטלסקופ, עשוי להיות שונה, אך ניתן לזהות באמצעות ניתוח ספקטרלי של האור כי מדובר בדמויות שונות של אותו קוואזאר עצמו. הדמויות עשויות להיות מעוותות ומוגדלות, ממש כאילו עברו דרך עדשה אופטית רגילה. לפיכך, עידוש כבידתי יכול לשמש כמעין טלסקופ טבעי, המאפשר לצפות באובייקטים מרוחקים בהפרדה (רזולוציה) גבוהה יחסית.
מהי שאלת המחקר?
עדשות הכבידה, מלבד היותן תופעה מרתקת כשלעצמן, משמשות ככלי מחקר רב עוצמה באסטרופיזיקה. המחקר שנסקור כאן עוסק במדידה, באמצעות עדשות כבידה, של אחד הפרמטרים הקוסמולוגיים החשובים: צפיפות האנרגיה האפלה.
הגיאומטריה של היקום, כפי שהיא מוכתבת על ידי תורת היחסות הכללית, איננה אווקלידית; היקום הוא מרחב עקום. תצפיות קוסמולוגיות, הצופות לעומק החלל (ולפיכך גם אל ההיסטוריה של היקום) חייבות להביא בחשבון את עיוות המרחב. תוצאה אפשרית של העיוות היא, למשל, קשר מורכב בין גודלה הנראה של גלקסיה למרחקה מאיתנו: ניסיוננו היומיומי מלמד, כי ככל שאובייקט מתרחק מאיתנו, הקוטר הזוויתי שלו קטן; אך הדבר אינו נכון בהכרח, ותלוי בגיאומטריה של היקום. בגיאומטריה עקומה, הקשר עשוי להיות מורכב יותר, וייתכן כי מעֵבר לסף מסוים, גלקסיה רחוקה תראה לנו גדולה יותר מגלקסיה זהה, קרובה ממנה.
העיוות תלוי בפרמטרים של היקום, ובפרט, בתכולת האנרגיה והמאסה שלו. מקובל כיום כי כתשעים וחמישה אחוזים מהמאסה/אנרגיה של היקום אין ביכולתנו לראות באמצעים אופטיים, אך הם מקיימים אינטראקציה כבידתית. למרכיבים אפלים אלה יש השפעה חשובה על מהלך התפתחותו של היקום. ישנן דרכים מגוונות ובלתי-תלויות למדידת צפיפויות המאסה והאנרגיה האפלה. אחת הדרכים מתבססת על עידוש כבידתי.
האור המגיע מהקוואזר SDSS 1004 עובר עידוש כבידתי על ידי צביר גלקסיות. בנוסף לקוואזאר זה, מעוות הצביר את דמויותיהם של מספר עצמים אחרים. תצלומים של עדשת הכבידה מספקים כמה סוגים של נתונים: אנו יכולים למדוד את המיקום היחסי של העצמים המעודשים, את בהירויותיהם, ואף את ההפרשים בזמני ההגעה של האור.
זמנים אלה אינם אחידים לדמויות שונות של אותו עצם שמימי, מאחר שהאור היוצר את הדמויות השונות עובר דרכים שונות - חלקן ארוכות יותר וחלקן פחות. מהירות האור מושפעת גם מכבידת הצביר המעדש, המעכבת את התקדמותו, ולפיכך קרני אור הנעות במרחקים שונים מהצביר וחשות עוצמת כבידה שונה יגיעו בזמנים שונים. חלק מן העצמים המעודשים משנים את בהירותם כתלות בזמן; ניתן לעקוב אחר השינויים ולראות מתי הם מתרחשים בכל אחת מהדמויות, וכך לקבוע את הפרשי הזמנים. הפרשים אלה יכולים להיות בני ימים אחדים או אף שנים.
חושפות פרטים על הצביר המעדש
הנתונים הללו, אם הם נאספים ממספר גדול דיו של עצמים המעודשים על ידי אותו צביר, יכולים לספק מידע על אודות הצביר המעדש, על העצמים המעודשים, וחשוב במיוחד -על צפיפות המאסה/אנרגיה של היקום.
מיקומן של הדמויות זו ביחס לזו יכול לשמש כסרגל מרחקים. אם ידוע המרחק אל הצביר המעדש, ניתן לדעת היכן נמצא העצם השמימי המעודש לפי מרחקן של הדמויות זו מזו. העדשה הכבידתית מאפשרת דרך גיאומטרית למדידת מרחקים. הבעיה היא שהגיאומטריה של הדמויות תלויה בהתפלגות המאסה בצביר המעדש, שאיננה ידועה. אם קיים מספר גדול דיו של דמויות מעודשות, ניתן לקבל מספיק מידע אודות התפלגות המאסה בצביר המעדש, ואז ניתן להסיק מסקנות על אודות מרחקיהם של העצמים המעודשים. המרחק שנמדד בדרך זו מושווה למרחק כפי שהוא מחושב מההיסט לאדום של הגלקסיה. הגיאומטריה של המרחב העקום יוצרת קשר מורכב בין התוצאות השונות. טיב הקשר נקבע לפי הפרמטרים הקוסמולוגיים של היקום.
מי עוסק במחקר?
הצוות העוסק בעידוש כבידתי באוניברסיטת תל אביב כולל את פרופ' דן מעוז, ד"ר טום ברודהרסט, ושני דוקטורנטים - ערן אופק וקרן שרון. הצוות עובד בשיתוף פעולה עם חוקרים בעלי שם בתחום מרחבי העולם, ומסתייע בציוד תצפיתי הפרוש אף הוא ברחבי כדור הארץ ובחלל. הנתונים מגיעים ממקורות שונים.
ערן אופק: "טלסקופ החלל האבּל הוא בעל כושר הפרדה גבוה, ומכיוון שהוא נמצא בחלל הוא לא סובל מעיוותים אטמוספריים, אבל כדי למדוד, למשל, את הפרשי הזמנים בין הדמויות, אפשר להשתמש בטלסקופ הנמצא במצפה רמון. בעזרת הטלסקופ שבהוואי, שהוא בעל קוטר גדול במיוחד, מודדים את הספקטרום של העצמים המעודשים לצורך מציאת ההיסט לאדום שלהם. יש לנו אוסף של כלים, ואנחנו משתמשים בהם בהתאם לצרכים ולנגישות. לא משתמשים בפטיש של חמישה קילו כדי לתקוע מסמר בקיר".
אז מה בעצם עושים?
מאחר שבאסטרונומיה, בשונה ממדעים אחרים, לא ניתן לערוך ניסוי מבוקר, צריך להפיק את המקסימום מהנתונים שניתן להשיג. זאת עושים באמצעות שכלול אמצעי התצפית, ושכלול האמצעים הממוחשבים להפקת המידע הרצוי מהנתונים.
ערן אופק: "התמונה מתקבלת מהטלקופ, וממצלמת CCD המחוברת למחשב. התמונה עוברת עיבוד בו מנקים ממנה רעש ומתאימים אותה לפורמט שבו שניתן יהיה לעבוד איתה. אז ניתן למדוד את מיקומי הדמויות והבהירות שלהן. לאחר שמופקים הנתונים, יש צורך באלגוריתם מחשב שיקבל את הנתונים הללו ויחלץ את התפלגות המאסה של הצביר המעדש ואת הפרמטרים הקוסמולוגיים, שהם מטרת המחקר. כתיבת האלגוריתם היא עיקר העבודה, והיא מהווה אתגר גם מבחינה תיאורטית וגם מבחינה טכנית".
תוכנית המחשב מתבססת, מבחינה פיזיקלית, על גיאומטרית המרחב-זמן של תורת היחסות הכללית. התוכנית צריכה להיות פשוטה דיה על מנת שלא תדרוש מחשב-על, אבל מורכבת מספיק כדי להקיף את מלוא מורכבות הבעיה. צריך להתאים את מספר דרגות החופש של הבעיה לנתונים: כמות הנתונים היא סופית, ולכן גם מספר המשתנים המוגדרים בבעיה לא יכול להיות גדול מדי, כי במקרה כזה לא ניתן יהיה לקבל תוצאה. ככל שמספר העצמים המעודשים גדול יותר, כך התוצאה המתקבלת תהיה אמינה יותר.
בחודש האחרון שהו כמה מחברי הקבוצה בהוואי, במטרה לצפות בעצמים המעודשים ולמדוד את ההיסט לאדום שלהם. קרן שרון: "צופים בצביר מבעד למסך, שבו מנוקבים חורים בהתאם למיקום הדמויות בהן רוצים לצפות. האור המגיע מהטלקופ מסונן מבעד לחורים, וכך מקבלים את הספקטרום של הדמויות הרצויות". הנתונים המתקבלים כוללים קווי בליעה ופליטה אופייניים. לאחר זיהוי היסודות להם שייכים הקווים הספקטרליים, ניתן יהיה לקבוע את ההיסט לאדום של הדמות, ולשייך אותו למרחק כפי שנמדד גיאומטרית.
דרכים שונות לקבלת אומדן
קיימות דרכים שונות, מלבד עידוש כבידתי, לקבל אומדן על הקשר בין בהירותה של גלקסיה למרחקה, ולהסיק מכך לגבי צפיפות האנרגיה והמאסה ביקום. בין השיטות הללו ניתן למנות תצפיות בקרינת הרקע הקוסמית, הצופות למעשה לשלב מוקדם מאוד בחיי היקום; מיפוי מרחקים באמצעות סופרנובות מסוג Ia, המוכרות כ"נרות תקניים" שניתן להעריך את בהירותם.
אף שאין ודאות לגבי עצם קיומן של מאסה אפלה ואנרגיה אפלה, הראיות התומכות בקיומן הן משכנעות: במסגרת הפיזיקה המקובלת, קיימות תצפיות שלא ניתן להסבירן אחרת. עד כה, לא נמצאה תיאוריית כבידה שעמדה בכל המבחנים כפי שעמדה בהם תורת היחסות הכללית, ותורה זו מאלצת אותנו לקבל את המאסה והאנרגיה האפלות; אך ייתכן גם, כי המודלים הפיזיקליים שלנו אינם מדויקים, ומודלים חדשים יכולים להימצא, בהם כל התופעות הנצפות יוסברו ללא צורך באנרגיה אפלה ומאסה אפלה.
זו סיבה נוספת לחשיבותם של מחקרים על אודות ישויות מסתוריות אלו: ייתכן, כי נלמד מהם יותר אודות האנרגיה האפלה, אך ייתכן גם כי יעלו מהם סתירות שיובילו אותנו למסקנות באשר למגבלות של הפיזיקה שלנו.
לפנייה לכתב/ת 
